大气污染控制工程 第七章 气态污染物控制技术基础(2)

1、第七章第七章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础(2)l气体吸附气体吸附吸附剂吸附机理吸附工艺与设备计算第三节第三节 气体吸附气体吸附l吸附吸附用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面吸附质被吸附物质吸附剂附着吸附质的物质l优点：效率高、可回收、设备简单优点：效率高、可回收、设备简单l缺点：吸附容量小、设备体积大缺点：吸附容量小、设备体积大吸附机理吸附机理向吸附剂表面扩散进入吸附剂微孔的迁移构成单分子层吸附体物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附1.吸附力吸附力范德华力较小范德华力较小；2.不发生化学反应；不发生化学反应；3.无选择性

2、（不定位），无选择性（不定位），过程快，过程快，瞬间达到平衡；瞬间达到平衡；4.放热反应，放热反应，近于凝聚热（液化近于凝聚热（液化热）约几热）约几 kJmol-1 5.不稳定，易解吸不稳定，易解吸6.吸附可逆；吸附可逆；7. 单分子层或多分子层单分子层或多分子层8.不需要活化能，较快，不受温不需要活化能，较快，不受温度影响度影响1.吸附力化学键力；吸附力化学键力；2.发生化学反应；发生化学反应；3.有选择性（定位），有选择性（定位），过程慢；过程慢；4.吸附热吸附热较大，约几十几百较大，约几十几百 kJmol-1 ，近于反应热，近于反应热 5.较稳定，不易解吸较稳定，不易解吸6.吸附不可逆；

3、吸附不可逆；7.单分子层单分子层8.一般需要活化能，较慢，一般需要活化能，较慢，升高升高温度有助于提高速率；温度有助于提高速率；物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附发生化学吸附吸附剂吸附剂l吸附剂需具备的特性吸附剂需具备的特性内表面积大具有选择性吸附作用高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大来源广泛，造价低廉良好的再生性能常用吸附剂特性常用吸附剂特性吸附剂吸附剂类型类型活性炭活性炭活性氧活性氧化铝化铝硅胶硅胶沸石分子筛沸石分子筛4

4、A5A13x堆 积 密 度堆 积 密 度 /kg/kgm m-3-32006007501000800800800800热容热容/kJ(kgK)- -1 10.831.2540.831.0450.920.7940.794操 作 温 度操 作 温 度上限上限 / K423773673873873873平 均 孔平 均 孔径径/ 15251848224513再 生 温再 生 温度度 /K373413473523393423473573473573473573比 表 面比 表 面积积/ /g-16001600210360600常用吸附剂特性常用吸附剂特性l分子筛特性分子筛特性气体吸附的影响因素气体吸附

5、的影响因素l操作条件操作条件低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附增大气相压力利于吸附l 吸附剂性质吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）m0322.4 10fVWNAf比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积, ,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺

6、铺满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g gm0322.4 10fVWNAf比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积, ,mm2 2V Vmm吸吸附

7、附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g g比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积, ,mm2 2V Vmm吸

8、吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g g气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l典型吸附质分子的横截面积典型吸附质分子的横截面积气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l吸附质性质、浓度吸附质性质、浓度临界直径吸附质不易渗入的最大直径吸附质的分子量、沸点、饱和性l吸附剂活性吸附剂活性单位吸附剂吸附的吸附质的量静活性吸附达到饱和时的吸附量动活性未达到平衡时的吸附量常见分子的临界直径常见分子的临界直径分子分子临界直径临界直径/ /

9、分子分子临界直径临界直径/ /氦氦氢氢乙炔乙炔氧氧一氧化碳一氧化碳二氧化碳二氧化碳氮氮水水氨氨氩氩甲烷甲烷乙烯乙烯环氧乙烷环氧乙烷乙烷乙烷甲醇甲醇乙醇乙醇环丙烷环丙烷丙烷丙烷正丁烷正丁烷-正二十正二十二烷二烷2.044.054.894.9 丙烯丙烯1-丁烯丁烯2-反丁烯反丁烯1,3-丁二烯丁二烯二氟二氟- -氯甲烷氯甲烷( (CFC-22)-22)噻吩噻吩异丁烷异丁烷- -异二十二异二十二烷烷二 氟 二 氯 甲 烷二 氟 二 氯 甲 烷(CFC-12)-12)环己烷环己烷甲苯甲苯对二甲苯对二甲苯苯苯四

10、氯化碳四氯化碳氯仿氯仿新戊烷新戊烷间二甲苯间二甲苯邻二甲苯邻二甲苯三乙胺三乙胺5.085.98.4气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l吸附剂再生吸附剂再生 溶剂萃取l活性炭吸附活性炭吸附SO2，可用水脱，可用水脱 置换再生l脱附剂需要再脱附脱附剂需要再脱附 降压或真空解吸l 吸附作用吸附作用 ，再生温度，再生温度 加热再生 微波再生微波再生解吸时水蒸气的消耗量的解吸时水蒸气的消耗量的一般经验值：一般经验值：每回收每回收1kg1kg苯消耗苯消耗3 35kg5kg水蒸气。水蒸气。吸附剂再生吸附剂再生(a)

11、吸附吸附(b)解吸解吸吸附平衡吸附平衡l当吸附速度脱附速度时，吸附平衡，此时吸当吸附速度脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值附量达到极限值l极限吸附量受气体压力和温度的影响极限吸附量受气体压力和温度的影响l吸附等温线吸附等温线 NH3在活性炭上的吸附等温线在活性炭上的吸附等温线吸附等温线吸附等温线m单位吸附剂的吸附量单位吸附剂的吸附量P吸附质在气相中的平衡吸附质在气相中的平衡 分压分压K,n经验常数经验常数, 实验确定实验确定吸附方程式吸附方程式l弗罗德里希弗罗德里希（Freundlich）方程）方程（I型等温线中压部分）型等温线中压部分）lgm对lgP作图为直线lglglgnmkPmk

12、nP吸附方程式吸附方程式l朗格缪尔（朗格缪尔（Langmuir）方程（）方程（I型等温线）型等温线）Tmm11ABPXBPPPVBVVV被被吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积P吸吸附附质质在在气气相相中中的的平平衡衡分分压压Vm吸吸附附剂剂被被覆覆盖盖满满一一层层时时吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积B吸吸附附与与解解析析速速率率常常数数之之比比Tmm11ABPXBPPPVBVVV被被吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积P吸吸附附质质在在气气相相中中的的平平衡衡分分压压Vm吸吸附附剂剂被被覆覆盖盖满满一一层层时时吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积B吸吸附附

13、与与解解析析速速率率常常数数之之比比吸附方程式吸附方程式lBET方程（方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）型等温线，多分子层吸附）m000mm0()1(1)/1(1)()V CPVPPCP PPCPV PPV CV CPV被吸附气体在标态下的体积被吸附气体在标态下的体积P吸附质在气相中的平衡分压吸附质在气相中的平衡分压P0吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压Vm吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积C与吸附热有关的常数与吸附热有关的常数m000mm0()1(1)/1(1)()V CPVPPCP PPCPV PPV CV

14、 CPV被吸附气体在标态下的体积被吸附气体在标态下的体积P吸附质在气相中的平衡分压吸附质在气相中的平衡分压P0吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压Vm吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积C与吸附热有关的常数与吸附热有关的常数吸附速率吸附速率l吸附过程吸附过程 吸附 外扩散（气流主体 外表面） 内扩散（外表面 内表 面）吸附速率吸附速率l外扩散速率外扩散速率l内扩散速率内扩散速率l总吸附速率方程总吸附速率方程*APAAd()dyMKYYt*APAAd()dxMKXXt*APAAPAAPPPPPPd()()d11111;yxyyx

15、xxyMKYYKXXtmKkkKkkm吸附工艺吸附工艺l固定床固定床 含污染物的气含污染物的气体体 吸附工艺吸附工艺l移动床移动床吸附工艺吸附工艺l移动床移动床吸附工艺吸附工艺l流化流化床床l流化床流化床吸附工艺吸附工艺固定床吸附计算固定床吸附计算1 1 吸附负荷曲线吸附负荷曲线( (沿床层浓度分布沿床层浓度分布) )定义：吸附器定义：吸附器中流动相中的中流动相中的吸附质（被吸吸附质（被吸附物）沿床层附物）沿床层不同长度上的不同长度上的浓度变化曲线，浓度变化曲线，或吸附剂中所或吸附剂中所吸附的吸附质，吸附的吸附质，沿床层不同长沿床层不同长度上的浓度变度上的浓度变化曲线化曲线固定床吸附计算固定床

16、吸附计算2 2 吸附穿透曲线吸附穿透曲线定义定义：吸附器处理气量或吸附操作时：吸附器处理气量或吸附操作时间与出口气体中污染物浓度之间的关间与出口气体中污染物浓度之间的关系曲线系曲线固定床吸附计算固定床吸附计算固定床吸附计算固定床吸附计算l保护作用时间保护作用时间L实际曲线与理论曲线的比较实际曲线与理论曲线的比较1理论线理论线2实际曲线实际曲线（假定吸附层完全饱和）b0Lv （假定吸附层完全饱和）b0Lv b00()LKLhva a静活度，静活度，静活度，静活度，S S吸附层截面积吸附层截面积吸附层截面积吸附层截面积, ,mm2 2L L吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度, ,mm吸附剂堆

17、积密度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，kg/mkg/m3 3v v气体流速，气体流速，气体流速，气体流速，m/sm/s污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，kg/mkg/m3 3保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；h h死区长度死区长度死区长度死区长度b00希洛夫方程b00()LKLhva a静活度，静活度，静活度，静活度，S S吸附层截面积吸附层截面积吸附层截面积吸附层截面积, ,mm2 2L L吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度, ,mm吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，kg/mkg/m3

18、3v v气体流速，气体流速，气体流速，气体流速，m/sm/s污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，kg/mkg/m3 3保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；h h死区长度死区长度死区长度死区长度b00希洛夫方程固定床吸附计算固定床吸附计算l同样条件下同样条件下l定义动力特性定义动力特性1 12201102212.K vK vconstvvconstdd102BKvvBd固定床吸附计算固定床吸附计算l吸附床长度吸附床长度假定条件l等温吸附等温吸附l低浓度污染物的吸附低浓度污染物的吸附l吸附等温线为第三种类型吸附等温线为第三种类型l吸附区长度为常数吸附

19、区长度为常数l吸附床的长度大于吸附区长度吸附床的长度大于吸附区长度固定床吸附计算固定床吸附计算l吸附床长度吸附床长度0AEA(1)LWLWf W吸附器的压力损失吸附器的压力损失1）图解计算）图解计算3pgg2p150(1)1.75(1)PgdDGd G P压降压降 (lb/ft2)D固定床厚度固定床厚度 (ft) 孔隙率孔隙率G气体流量气体流量 (lb/ft2?hr) g 气体粘度气体粘度 (lb/ft?hr)dp颗粒直径颗粒直径 (ft)2）公式计算）公式计算3pgg2p150(1)1.75(1)PgdDGd G P压降压降 (lb/ft2)D固定床厚度固定床厚度 (ft) 孔隙率孔隙率G气

20、体流量气体流量 (lb/ft2?hr) g 气体粘度气体粘度 (lb/ft?hr)dp颗粒直径颗粒直径 (ft)2）公式计算）公式计算移动床计算移动床计算l操作线操作线l吸附速率方程吸附速率方程SS2SS2(/)(/)YLGXYLGXSPd(*)dyG YK a YYL12S*PdYyYGYLK aY Y传传质质单单元元高高度度传传质质单单元元数数（图图解解积积分分法法）12S*PdYyYGYLK aY Y传传质质单单元元高高度度传传质质单单元元数数（图图解解积积分分法法）例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含H2S的空气。吸附的空气。吸附剂为分子筛。空气

21、中剂为分子筛。空气中H2S的浓度为的浓度为3（重量），气相流速为（重量），气相流速为6500kg/h，假定操作在，假定操作在293K和和1atm下进行，下进行，H2S的净化率要的净化率要求为求为95，试确定：，试确定： (1) 分子筛的需要量（按最小需要量的分子筛的需要量（按最小需要量的1.5倍计）；倍计）； (2) 需要再生时，分子筛中需要再生时，分子筛中H2S的含量；的含量； (3) 需要的传质单元数。需要的传质单元数。解：解：(1) 吸附器进口气相组成：吸附器进口气相组成： H2S的流量的流量0.036500195kg/h 空气的流量空气的流量65001956305kg/h 吸附器出口气

22、相组成：吸附器出口气相组成： H2S0.05(195)9.75 kg/h 空气空气6305 kg/h 移动床计算移动床计算11950.036305Y 329.751.55 106305Y移动床计算移动床计算实验得到的平衡关系如右图实验得到的平衡关系如右图假定假定X20，从图得（，从图得（X1）最大最大0.1147所以实际需要的分子筛所以实际需要的分子筛 0.37263052345.5kg/h(2)分子筛吸收分子筛吸收H H2 2S S的平衡数据的平衡数据SSSS(/)1.5(/)1.5 0.2840.372L GL G最小实际SS0.03 0.00155(/)0.2840.1147 0.000

23、0L G最小11959.75()0.0792345.5X实际移动床计算移动床计算(3)图解积分法计算图解积分法计算NOGNOG3.127图解积分法求传质单元数图解积分法求传质单元数12OG*dYYYNYYYY*0.00155 0.00 6450.00500 0.00 2000.010 0.0001 1010.015 0.0005 690.020 0.0018 550.025 0.0043 48.30.030 0.0078 45.0*1YYYY*0.00155 0.00 6450.00500 0.00 2000.010 0.0001 1010.015 0.0005 690.020 0.0018

24、550.025 0.0043 48.30.030 0.0078 45.0*1YY压力损失计算压力损失计算( (P 3dpg)/)/Z(1-)v2=150 (1-)/Rep+1.75 Re Rep p= =dpv/g P P 压降压降PaPa 床层空隙率床层空隙率 v 空床流速空床流速m/s g-气体密度（气体密度（Kg/m3） dp-吸附剂颗粒平均直径吸附剂颗粒平均直径m g-g-气体粘度（气体粘度（ PaPa.s.s） Z-Z-床层厚度床层厚度m m 1 1蒸气空气混合物入吸附蒸气空气混合物入吸附器的接管器的接管2 2排气管排气管 3 3加料孔加料孔4 4活性炭及砾石排出孔活性炭及砾石排出孔

25、 5 5框架框架6 6带有有孔侧壁的蒸气空带有有孔侧壁的蒸气空气混合物分配器气混合物分配器7 7送直接蒸气进入吸附器送直接蒸气进入吸附器鼓泡器鼓泡器8 8圆筒形凝液排除器圆筒形凝液排除器 9 9凝液排出管凝液排出管1010进水管进水管 1111温度计插套温度计插套1212解吸时的蒸气排出管解吸时的蒸气排出管 1313排气管排气管1414压力计连接管压力计连接管 1515安全阀连接管安全阀连接管 立式吸附器立式吸附器有再生系统的活性炭吸附净化设备有再生系统的活性炭吸附净化设备11过滤器过滤器 22风机风机 33空气冷却器空气冷却器 44第第号吸附器号吸附器55第第号吸附器号吸附器 66冷凝器冷凝

26、器 77分离器分离器吸附净化系统的安全技术吸附净化系统的安全技术1保证吸附器和管道的密闭保证吸附器和管道的密闭设备和管道应具有最少的可拆卸接合；排送含有有机溶剂的管设备和管道应具有最少的可拆卸接合；排送含有有机溶剂的管道壁厚应大于道壁厚应大于5mm；含有机溶剂的设备和管道均应经过砾石阻火器；含有机溶剂的设备和管道均应经过砾石阻火器与大气相通。与大气相通。2杜绝工作场所产生火花杜绝工作场所产生火花马达应是防爆型的或放在专门隔离的场所；防静电、防雷击。马达应是防爆型的或放在专门隔离的场所；防静电、防雷击。3杜绝活性炭升温到接近其燃点杜绝活性炭升温到接近其燃点(300)严格控制炭层温度，测温点应能达

27、到炭层中心及炭层的各部分；应避免炭层的严格控制炭层温度，测温点应能达到炭层中心及炭层的各部分；应避免炭层的急剧氧化而放出大量热；解吸时炭层温度控制在急剧氧化而放出大量热；解吸时炭层温度控制在105110之间，解吸用的过之间，解吸用的过热蒸气不应高于热蒸气不应高于120；解吸后应在；解吸后应在100以下干燥炭层，然后用冷空气将活性以下干燥炭层，然后用冷空气将活性炭冷却至炭冷却至40以下；若炭层冒烟或引燃时，应立即引水缓慢淹没炭层，不可鼓以下；若炭层冒烟或引燃时，应立即引水缓慢淹没炭层，不可鼓风；避免解吸冷凝液倒流人炭层而剧烈放热；吸附器停止操作时间超过风；避免解吸冷凝液倒流人炭层而剧烈放热；吸附

28、器停止操作时间超过24h，活性炭在解吸后应用水淹没炭层。活性炭在解吸后应用水淹没炭层。吸附净化系统的安全是极其重要，应注意以下几个方面吸附净化系统的安全是极其重要，应注意以下几个方面: :7.10 7.10 尾气中苯蒸汽的浓度为尾气中苯蒸汽的浓度为0.025kg/kg0.025kg/kg干空气，欲在干空气，欲在298K298K和和2atm2atm条件下采用硅胶吸附净化。条件下采用硅胶吸附净化。固定床保护作用时间至少要固定床保护作用时间至少要90min90min。设穿透点时苯的浓度为。设穿透点时苯的浓度为0.0025kg/kg0.0025kg/kg干空气，当固定床出干空气，当固定床出口尾气中苯浓

29、度达口尾气中苯浓度达0.020kg/kg0.020kg/kg干空气时即认为床层已耗竭。尾气通过床层的速度为干空气时即认为床层已耗竭。尾气通过床层的速度为1m/s1m/s（基（基于床的整个横截面积），试确定所需要的床高。于床的整个横截面积），试确定所需要的床高。已知硅胶的堆积密度为已知硅胶的堆积密度为625kg/m3625kg/m3，平均粒径，平均粒径DpDp=0.60cm=0.60cm，平均表面积，平均表面积a=600m2/m3a=600m2/m3。在上述操作条件下，吸附等温线方程为：在上述操作条件下，吸附等温线方程为：Y Y* *=0.167X1.5=0.167X1.5。式中式中Y Y* *

30、=kg=kg苯苯/kg/kg干空气，干空气，X=kgX=kg苯苯/kg/kg硅胶。假定气相传质单元高度硅胶。假定气相传质单元高度解：解：Y1=0.025kg苯苯/kg干空气，干空气，Y2=0，X2=0。 故操作线方程为故操作线方程为 X=11.28Y。 当当Y=Yb=0.0025kg苯苯/kg干空气时，干空气时，X=11.280.0025=0.0282kg苯苯/kg硅胶。硅胶。 Y*=0.1670.02821.5=0.0008kg苯苯/kg干空气。干空气。 ，由此可求得，由此可求得 近似值；近似值； 同时，同时， 由此求得由此求得f 的近似值，列表如下：的近似值，列表如下：08.5881*YYYYbYYdY*WeWbababWeWbAAbwwwwwdwwYYWdwYYWYQf)(1 ()1 (000WeWbYeYbYYbYeYbdYYYbYYdYYYdYYYdYYYdYYY)(1 (*0Y Y* *1YY *YYdY YYbYYdY